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電站鍋爐煙氣余熱利用系統(tǒng)的熱力學分析和優(yōu)化

2014-07-26 11:05楊勇平黃圣偉張晨旭楊志平
關鍵詞:預熱器省煤器凝結水

楊勇平,黃圣偉,徐 鋼,張晨旭,楊志平

(華北電力大學 國家火力發(fā)電工程技術研究中心,北京102206)

0 引 言

在電站鍋爐的各種熱損失中,排煙熱損失占鍋爐熱損失的50 %以上,目前我國燃煤電站鍋爐的設計排煙溫度大多為120 ~150℃,排煙帶走的熱量可達電站全部輸入燃料熱值的3 % -8 %。因此,隨著能源價格的不斷攀升以及節(jié)能減排政策性要求的日漸嚴格[1,2],電站鍋爐煙氣余熱利用的研究和應用也受到了廣泛重視。

在電廠中增設低溫省煤器是降低排煙溫度的有效措施之一。利用鍋爐尾部煙氣余熱加熱回熱系統(tǒng)中的凝結水,可排擠部分抽汽返回汽輪機內繼續(xù)膨脹做功。因此,煙氣余熱回收利用在某種程度上提高了機組的經濟性[3]。該技術在國內外較早就得到了應用,德國從20 世紀末開始提出并實施的火電優(yōu)化設計計劃,要求全部新建機組必須集成鍋爐尾部煙氣余熱回收技術[4];國內上海外高橋三期工程通過在脫硫塔前加裝煙氣冷卻器回收尾部煙氣余熱,使機組供電煤耗下降2.71 g/kW·h[5]。在理論分析和系統(tǒng)集成研究方面,文獻[6,7]較早對火電廠熱系統(tǒng)增設低壓省煤器的節(jié)能效果和分析方法展開系統(tǒng)研究;文獻[8]借鑒國外電廠的前置式空氣預熱器等煙氣余熱回收技術,彌補了蒸汽暖風器造成機組熱經濟性下降的不足;文獻[9,10]考慮煙氣溫度的限制和實際換熱效率,綜合換熱面投資等經濟成本來評估改造后電站機組增加的經濟效益。

本文基于熱力學基本定律,充分考慮工程實際約束條件,對常規(guī)電站煙氣余熱回收系統(tǒng)的熱力學特性進行了深入分析;采用能量梯級利用的方法,重點分析了鍋爐煙氣余熱回收過程的能量匹配關系,并結合典型百萬kW 燃煤電站機組,開展鍋爐煙氣余熱回收系統(tǒng)的性能分析和優(yōu)化設計。本文研究是對現(xiàn)有煙氣余熱回收技術的深入分析和繼續(xù)完善,可為進一步挖掘電站鍋爐煙氣余熱回收系統(tǒng)的節(jié)能潛力提供新思路。

1 煙氣余熱利用系統(tǒng)的熱力學分析

圖1 集成低溫省煤器的常規(guī)煙氣余熱利用熱力系統(tǒng)Fig.1 A schematic thermal system of a traditional waste heat utilization system integrated with LTE ( low temperature economizer)

在常規(guī)的煙氣余熱利用系統(tǒng)中,多采用低溫省煤器回收尾部煙氣余熱加熱凝結水,如圖1 所示。根據(jù)熱量的釋放和吸收過程,可將煙氣余熱利用系統(tǒng)分為鍋爐尾部煙道側和汽輪機蒸汽回熱設備側相互耦合的兩部分[7]。如圖2 所示,虛線左邊為鍋爐尾部煙道側的煙氣余熱回收子系統(tǒng)(I),虛線右邊為汽輪機蒸汽回熱循環(huán)側的排擠抽汽做功子系統(tǒng)(II)。

1.1 尾部煙道側煙氣余熱回收子系統(tǒng)(I)

圖2 鍋爐-汽輪機相互耦合的能量利用系統(tǒng)Fig.2 Coupled system of the flue gas heat releasing process and the regeneration work

為減少空氣在爐膛內的吸熱,在尾部煙道中布置空氣預熱器,入爐空氣預熱過程對煙氣釋放熱量的固定需求為Qk。為進一步降低排煙溫度,通常在空氣預熱器出口之后增設低溫省煤器,以回收更多熱量到機組中。

同時,由于降低后的排煙溫度還受換熱器材料低溫腐蝕性能的限制,這就決定了煙氣余熱回收子系統(tǒng)(I)從鍋爐尾部煙氣中所能回收的熱量Qd有最大值Qmax可由式(1)計算:

式中:Qtot為排煙溫度降低到控制點時尾部煙氣的總放熱量,kJ/kg。

1.2 回熱系統(tǒng)側排擠抽汽做功子系統(tǒng)(II)

在電站系統(tǒng)中需要從汽機各級抽取大量蒸汽來加熱凝結水,所抽蒸汽可用于提高凝結水溫度,相應地可以節(jié)省部分抽汽返回汽輪機繼續(xù)膨脹做功。因此,在燃料消耗量不變的情況下增加機組總出功,從而提高了系統(tǒng)的經濟性。

相應的熱功轉換過程可以采用等效焓降法來分析[6]。根據(jù)選定工況的蒸汽參數(shù)和回熱系統(tǒng)參數(shù),將低溫省煤器回收的煙氣余熱作為純熱量輸入熱力系統(tǒng),作用于各級回熱加熱器所排擠的抽汽返回后續(xù)汽輪機內做功,從而使機組有一等效熱降增量,其值可根據(jù)公式(2)計算:

式中:D0為機組的新蒸汽流量,kg/h;ηpj為低壓省煤器熱量利用的平均抽汽效率,其取值決定于低溫省煤器入口凝結水的抽取位置和凝結水焓升。典型百萬kW 電站機組回熱系統(tǒng)中加熱凝結水的各級抽汽的效率變化關系如圖3 所示。

圖3 某典型百萬機組各級抽汽做功能力階梯圖Fig.3 The energy efficiency of regeneration heaters of a typical 1 000 MW generating unit

結合式(1)和(2)可知,提高低壓省煤器的進水溫度,能夠提高煙氣余熱利用的平均能級和熱功轉換效率,從而增加機組總出功。但是,為確保低溫省煤器的安全與穩(wěn)定運行,低溫省煤器兩側工質的溫度必須滿足下列約束條件,如式(3)所示:

式中:t′d,t″d,t′y,t″y分別代表煙氣和凝結水的進出口焓,kJ/kg。

由此可見,由于隨著煙氣溫度的降低,進入低溫省煤器的凝結水的溫度也將不斷受到限制,相應余熱利用的平均能級也逐漸降低,從而不利于提高煙氣余熱利用系統(tǒng)的經濟性。

2 基于能量梯級利用的系統(tǒng)優(yōu)化

2.1 常規(guī)余熱利用系統(tǒng)節(jié)能效果有限的原因

典型百萬kW 電站機組鍋爐的排煙溫度(空氣預熱器出口)一般在130 ℃左右,對比汽機側回熱系統(tǒng)中各級加熱器入口凝結水的溫度分布,從中可以發(fā)現(xiàn),常規(guī)低溫省煤器回收的余熱通常只能排擠低壓加熱器部分的回熱抽汽。若再考慮相關工程約束,如換熱器設計中至少保證10 ℃的節(jié)點溫差,則余熱利用排擠抽汽的平均能級一般最高只能達到第7 級。

由此可見,排擠高能級抽汽對高品位熱量的需求,與從尾部煙氣中回收的余熱品位較低之間的能級品位差矛盾,是常規(guī)煙氣余熱利用系統(tǒng)節(jié)能效果有限的根本原因。因此,如何優(yōu)化余熱回收和排擠抽汽做功兩側的“能量品位匹配”,提高熱功轉換效率,從而利用尾部煙氣中可供回收的有限熱量獲得更多熱功,是提高煙氣余熱利用系統(tǒng)經濟性的關鍵問題。

2.2 能量梯級利用在余熱利用系統(tǒng)優(yōu)化中的應用

在熱能的轉換利用過程中,不僅有數(shù)量的問題,還有熱能的品位問題。高溫高壓熱源比低溫低壓熱源轉換潛力大,說明溫度高或壓力高的熱能品位高。從能量轉化的基本定律出發(fā),采用能量梯級利用方法[11]來分析能源結構,優(yōu)化能量利用方式,可減少能量品位的浪費,達到節(jié)約能源、提高能源使用效率的目的[12~14]。有鑒于此,本文基于“溫度對口,能級匹配”的原則,對尾部煙道的煙氣余熱回收子系統(tǒng)進行優(yōu)化設計。如圖4 所示的優(yōu)化方案,仍舊采用原空氣預熱器,但將煙氣余熱回收子系統(tǒng)布置為與空氣預熱器并聯(lián),從省煤器出口流出的高溫煙氣部分進入旁路煙道中的煙氣余熱回收子系統(tǒng),所回收余熱的溫度水平獲得大幅度提升,從而提高了凝結水側的允許抽出點溫度,排擠抽汽所做的熱功也將得到明顯的增加。但由于進入空氣預熱器的煙氣熱量減少,入爐空氣溫度降低后勢必在爐膛內吸收更多的熱量。因此,有必要在空氣預熱器的出口增設一個冷風預熱器,用較低品位的余熱對冷空氣進行預熱后再送入空預器內。

圖4 基于能量梯級利用原則設計的余熱利用優(yōu)化系統(tǒng)Fig.4 An optimized waste heat recovery system based on the energy cascade utilization principles

3 余熱利用系統(tǒng)優(yōu)化的熱力學分析

以某百萬kW 燃煤機組為例進行余熱利用系統(tǒng)改造。案例機組采用SG -3093/27.46 -M533型直流鍋爐和N1000 -26.25/600/600 型中間再熱凝汽式汽輪機。鍋爐燃用設計煤種時(收到基碳、氫、氧、氮、硫、水分分別為56.26 %,3.79 %,12.11 %,0.82 %,0.17 %,9.57 %),鍋爐實際燃煤量為409.9 t/h,鍋爐熱效率94.08 %(按低位發(fā)熱量計算),排煙溫度133 ℃。汽機的熱力特性數(shù)據(jù)見表1 所示。

表1 各級回熱加熱器的熱力參數(shù)Tab.1 Main thermal performance of the regenerative heaters

案例機組空氣預熱器的進出口煙溫分別為378 ℃,133 ℃(誤差± 5 ℃),要求優(yōu)化方案中的換熱過程節(jié)點溫差至少保證10 ℃,同時考慮煤種、尾部煙道材料及酸露點腐蝕等影響因素,故將允許的最低排煙溫度限制為90 ℃。

結合基準電站的熱力系統(tǒng)參數(shù),對采用低溫省煤器的常規(guī)煙氣余熱利用系統(tǒng)(如圖1 所示)和采用旁路煙道的優(yōu)化系統(tǒng)(如圖4 所示)分別進行熱力學分析計算。各方案中主要設備及其設計參數(shù)如表2 所示。

表2 各級換熱設備的設計熱力參數(shù)Tab.2 Main design parameters of the heat exchangers

結合上述設計參數(shù),根據(jù)公式(2)和機組參數(shù)可計算算出各方案下機組的等效焓降ΔH 值,在原熱耗率q 的基礎上算出熱耗率降低值可根據(jù)式(4)計算。

從而可得機組的供電標準煤耗節(jié)省量Δbs的計算式(5):

式中:Δbs的單位為為廠用電率;ηb和ηp分別為鍋爐效率和管道效率;Qar,net為燃用煤的低位發(fā)熱量。

根據(jù)以上公式計算各方案,結果詳見表3。

表3 各方案的熱力學分析結果Tab.3 Analysis results of each scheme

計算結果表明,案例機組采用能量匹配的優(yōu)化煙氣余熱利用系統(tǒng)后,可提高全廠效率1.81%,而采用常規(guī)的低溫省煤器時全廠效率提高百分比僅為0.76 %;采用優(yōu)化方案后,全年平均供電標煤煤耗降低值由2.18 g/kW·h 大幅度提高至5.19 g/kW·h,經濟性比傳統(tǒng)的單一利用空氣預熱器出口煙氣余熱加熱凝結水的常規(guī)方案有顯著提高,經濟優(yōu)勢明顯。

4 余熱利用系統(tǒng)優(yōu)化的進一步討論

4.1 傳熱過程和節(jié)能機理分析

圖5 給出了常規(guī)方案與優(yōu)化方案各自煙氣余熱利用過程的T-Q 圖對比。為簡化計算,將鍋爐的一二次風的熱工參數(shù)做了平均處理(具體參數(shù)詳見表2)。從圖中可以看出:

(1)優(yōu)化方案中所回收余熱的溫度相比常規(guī)方案有大幅度提高,因此可以排擠更高級抽汽,節(jié)能效果更顯著;

圖5 各方案下煙氣余熱利用系統(tǒng)的T-Q 圖Fig.5 Temperature-quantity of heat analysis of each scheme

(2)高溫煙氣余熱為凝結水的焓升過程提供了較高品位的熱量,而低品位的余熱用于溫度較低的冷空氣的預熱,從而進一步減小了傳熱過程的損失,改善了系統(tǒng)的換熱匹配。

4.2 對鍋爐其他受熱面的影響

(1)常規(guī)煙氣余熱利用系統(tǒng)中,低溫省煤器布置于鍋爐最后一級受熱面(下級空氣預熱器),其傳熱不會對鍋爐其它受熱面的傳熱產生影響;

(2)在優(yōu)化方案中,雖然煙氣余熱回收子系統(tǒng)分流了近20 %的煙氣,但增加冷風預熱器后,空氣預熱器減少的傳熱量在冷風預熱器中的冷空氣升溫過程中得到了補償;同時,在計算中發(fā)現(xiàn),由于換熱溫差的改變對傳熱系數(shù)的影響可以忽略。因此,優(yōu)化方案的設計既不會使空氣預熱器的傳熱量減少,也不會降低入爐熱風溫度而影響鍋爐燃燒;

(3)冬季的冷風溫度較低,可以考慮減少低溫省煤器的凝結水流量,從而提高其出口煙氣溫度,讓更多的熱量進入空氣升溫過程,提高冬季熱風溫度,起到穩(wěn)定鍋爐燃燒和大幅度提高鍋爐效率的作用。

5 結 論

本文通過對煙氣余熱利用系統(tǒng)的熱力學特性進行了深入分析后發(fā)現(xiàn),煙氣余熱利用系統(tǒng)經濟性的提高,與煙氣余熱回收與利用過程的“能量匹配”密切相關。與集成低溫省煤器的常規(guī)煙氣余熱利用系統(tǒng)相比,基于能量梯級利用方法對典型百萬kW 燃煤機組所設計的優(yōu)化系統(tǒng)具有以下明顯優(yōu)勢:

(1)基于能量梯級利用設計的優(yōu)化系統(tǒng),符合“溫度對口,梯級利用”的科學用能原則,大幅度提高了系統(tǒng)的熱力特性;

(2)優(yōu)化系統(tǒng)不僅能使系統(tǒng)節(jié)能獲得最優(yōu)經濟效益,而且最大限度減少了煙氣余熱利用系統(tǒng)優(yōu)化過程對機組運行的影響;

(3)優(yōu)化方案中,煙氣回收子系統(tǒng)進出口的煙溫水平均較高,煙氣與凝結水換熱器的換熱表面溫度遠離酸露點,高低溫兩級換熱器均可采用單級煙水換熱器,設備系統(tǒng)簡單,換熱損失更小;

(4)增設的冷風預熱器采用熱管式換熱器,可以同時滿足冬季加熱低溫空氣和降低工程造價的需要。

值得一提的是,優(yōu)化系統(tǒng)中各節(jié)點的溫度參數(shù)的優(yōu)選,對提高機組經濟性能有重要影響,仍需作進一步研究。

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